CN105393082B - 二分传感器阵列 - Google Patents

二分传感器阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN105393082B
CN105393082B CN201480024318.1A CN201480024318A CN105393082B CN 105393082 B CN105393082 B CN 105393082B CN 201480024318 A CN201480024318 A CN 201480024318A CN 105393082 B CN105393082 B CN 105393082B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
hes
rigid body
hej
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480024318.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105393082A (zh
Inventor
李·艾伦·丹尼诗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Measuring instrument Co.
Original Assignee
Nb Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nb Ltd filed Critical Nb Ltd
Publication of CN105393082A publication Critical patent/CN105393082A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105393082B publication Critical patent/CN105393082B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/022—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D31/00—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00—Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/10—Tunnels or galleries specially adapted to house conduits, e.g. oil pipe-lines, sewer pipes ; Making conduits in situ, e.g. of concrete ; Casings, i.e. manhole shafts, access or inspection chambers or coverings of boreholes or narrow wells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02—Details
    • G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明涉及一种二分传感器阵列，其包括能够装配到单传感系统的两部分。第一部分包括通过细长挠性件连接且配备有重力计量倾斜传感器的刚性体。细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲。由通过接头连接的刚性体组成的第二部分包含第一部分。可与第一部分分离地输送并装配的第二部分提供刚性和保护，使得第一部分能够具有短刚性体和长连接挠性件，从而减少所需的传感器数目。二分传感器阵列可应用于土壤和土木结构的地质技术测量。

Description

二分传感器阵列
技术领域
该发明涉及传感器技术。具体地，本发明涉及用于测量土壤和土木结构的形状以及形状随时间的变化的工具或设备。本发明表示在Lee Danisch(Danisch′672)于2000年10月3日发布的美国专利No.6,127,672；Lee Dannisch等人(Danisch′107)于2003年5月13日发布的美国专利6,563,107，以及Lee Danisch等人(Danisch′363)于2007年11月20日发布的美国专利7,296,363中所描述的发明中的改善，以及对现有技术的倾斜计技术的改善。
其中的优选应用在用于监控滑坡运动和施工场地的地质技术感测的领域中。
背景技术
在地质技术工程领域中，被称作倾斜计的仪器可用于测量垂直钻孔或水平钻孔中的倾斜，以用于基于一个自由度倾斜或两个自由度倾斜、倾斜计的长度以及倾斜计关于其长轴的已知取向来计算钻孔的路径的目的，其中倾斜计的已知取向在给钻孔加衬的倾斜计套管中由笔直凹槽控制。倾斜计沿着套管移动并在空间间隔处停止以用于读取倾斜(横向倾斜计)，或者多个倾斜计在套管中静止并且在时间间隔处进行读取(原地倾斜计)。横向倾斜计和原地倾斜计在此将被称为“常规倾斜计”。
对原地倾斜计的改善已经取得专利(Danisch′363)。可在没有带槽套管的情况下直接使用以便测量路径形状和沿路径的振动的是校准测量仪器，所述校准测量仪器由配备有倾斜传感器的刚性管(刚性体)组成，所述管由抗扭曲的内置可弯曲接头隔开。Danisch′363在下文中将被称为“SAA”，或ShapeAccelArray。SAA不要求套管中的凹槽执行每个刚性体关于SAA的长轴的方位角对准。抗扭曲接头维持方位角对准。通过使用每个主体中的X倾斜传感器和Y倾斜传感器，在制造过程结束时对在制造期间未被物理上控制的每个刚性体的方位角进行校准，以便当SAA大致水平时测量每个主体的“滚动”角。在制造期间，校准传感器的所有偏移和增益，使得可在广泛的温度范围内以及在所有角度范围内作出精确的倾斜测量。
两种常规倾斜计和SAA依赖于倾斜的重力计量测量。由于参考系的轴是倾斜的，所以倾斜的测量相当于在参考系中确定作用于由弹簧支撑的质量块上的一部分重力向量。在一些情况下，常规倾斜计使用充液弯管而不是弹簧和质量块。在其他情况下，使用伺服控制弹簧和质量块。
从倾斜计算形状从现有技术中已知。通常，由柔性接头隔开的刚性体阵列可被描绘成多段线(在顶点相遇的线段)，所述多段线的顶点表示接头中心。当阵列为笔直的时，线段的长度通常被取为接头中心到接头中心距离。对于在Z上延伸并在X和Y上弯曲的垂直阵列，X倾斜传感器和Y倾斜传感器足以感测刚性体的整体倾斜。Z传感器仅需要用于上报阵列是否“颠倒”。有必要将接头约束为具有1DOF的弯曲和1DOF的扭曲，或2DOF的弯曲而无扭曲，否则X传感器和Y传感器在世界坐标系(WCS)内的方位角将是未知的。在接头约束的情况下，解决X倾斜和Y倾斜是可能的并且知道它们的方位角(罗盘)方向是可能的，即使远离用于计算的参考端。倾斜计系统中的约束由倾斜计套管中的凹槽提供。倾斜计的刚性体具有适合凹槽的轮子。对于SAA，接头被构建用于抵抗扭曲但允许2DOF弯曲，或者对于带状形式的SAA，接头具有1DOF的弯曲和自1DOF的扭曲。基于X倾斜和Y倾斜，约束允许每个节段相对于之前一个的2DOF取向的计算。
水平现有技术笔直阵列的形状的计算局限于包括阵列路径的垂直面内的形状。仅需要Z传感器。
常规倾斜计的缺陷包括：
·必须通过一个人在现场读取横向倾斜计(每隔一段时间下降并且被读取的单独仪器)，因此以频繁的间隔进行自动数据收集是不可能的。
·原地倾斜计系统具有连接为链的多个倾斜计，每个倾斜计具有适合倾斜计套管中的凹槽的轮子。每个单独倾斜计的“标距长度”(倾斜计为刚性体)可通过刚性杆的方式延伸，其中轮子组件中的一个在所述刚性杆端部。安装者必须记录倾斜计的顺序、它们的长度以及它们的校准系数。已知原地倾斜计系统是难以安装的，并且通常长度受限于必须从每个倾斜计传到表面电缆的数目。电缆问题可通过数字化并使用共用串行“总线电缆”避免，但是成本比较高并且仍然具有轮子和凹槽的复杂性。
·长标距长度导致原地倾斜计的容易变形或夹住，即使是对于小的形变，从而导致装备和金钱损失。
·倾斜计使用带槽套管以保持倾斜计的轴与方位角对准。这排除使用刚性厚金属管代替倾斜计套管，以提供保护。轮子将难以穿过坚固管材的节段之间的接头。
SAA的缺陷包括：
·尽管SAA由于其是储存在卷轴上的校准独立阵列而便利，但由于将要求非常大的卷轴，因此所述SAA限于短标距长度(其刚性体的长度)，并且其中安装SAA的小尺寸套管将以非常小的形变导致其刚性体的弯曲。短节段必须全部具有传感器，否则信息将沿阵列丢失。例如，如果土壤中的狭窄剪切区域恰好使仅一个刚性体倾斜，其中其他刚性体保持直立，则如果一个倾斜主体不具有传感器，那么将发生大的误差。许多短刚性体的需求导致较高的成本。
·通常不预期施工场地涉及大的形变。在形变的低量级早期阶段期间足以收到警告。针对这种情况，SAA具有许多传感器并且因此成本很高，所以其在许多施工监控应用中的便利不总是足以证明其价格的合理性。
原地倾斜计和SAA两者的缺陷包括：
·两种类型的仪器均未被装备铠甲以抵挡岩石类土壤或纯岩层造成的破碎。在精密仪器和外部介质之间仅存在塑料套管和少量空气。
·两种类型的仪器均不可从已经严重变形的套管恢复。不存在用于任一仪器越过套管的急剧弯曲或其他形变的足够空间。
现有技术倾斜计和SAA不提供便利、无轮子阵列，其适合在卷轴上并且是不要求特殊带槽套管，同时在安装时提供具有长刚性体长度的装置的独立、校准仪器。
在大直径套管中具有长标距长度的现有技术倾斜计，以及在小直径套管中具有短标距长度的SAA在形变已经使钻孔弯曲之后，不提供用于通过允许具有短刚性体的分离的仪器化阵列从留在钻孔中的一组牺牲的较长刚性体中拉出来取出仪器。
现有技术倾斜计和SAA不通过具有由可弯曲接头连接的坚固的最外面刚性体来提供在岩石类土壤中的持久性，所述刚性体为内部不太坚固的刚性体提供免受岩石力作用的保护。
现有技术倾斜计和SAA不提供由通过挠性件连接的刚性体制成的非常柔性的阵列，所述挠性件足够长以允许位置位移、可从卷轴展开、由较长刚性体的分离系统包括，其中接头在无剪切的情况下提供弯曲(即，防止所包括的内部阵列的不可测量的侧向位置位移)。
现有技术倾斜计和SAA不提供无传感器的中空刚性体和接头(“第二中空外骨架部分”)的系统，该系统可由多种材料在本地提供，并且在适合于内部的“第二带有传感器的阵列部分”到达之前安装，两个系统然后一起工作以提供形状和形状形变的测量，由于大的传感器间距，所以带有传感器的部分在成本上为低的。
与本文所描述的二分阵列部件的路径中的一些的螺旋形式相关，现有技术发明包括非笔直传感器路径，但是依赖于弯曲传感器和扭曲传感器(“曲率”传感器)。例如，Danisch′107(“形状绳”)描述了以下内容：
“一种测量设备，其用于提供对应于空间中的几何构造的数据，所述设备为能够以至少一个自由度弯曲并沿着中轴或平面延伸的柔性顺应性测量构件的形式。构件具有间隔开的挠性传感器，所述传感器分布在构件上的已知位置处并且由已知的传感器间距间隔隔开，以提供指示存在于所述位置处的局部挠性状态的挠性信号。构件包括多个成型的即成形的光纤，这些光纤包括具有提供挠性传感器的感测部分的感测光纤，不同光纤的感测部分位于沿构件的不同距离处，以便位于传感器间距间隔处，成型光纤处于互相支撑关系，如通过彼此的持续或重复接触。该类光纤可构成大部分或全部构件。”
在串级阵列中使用挠曲传感器的设备具有严重缺陷：当传感器的一个中存在误差时，在计算顺序中越过那个点的全部阵列的取向将共享误差的角度偏移，这将导致表示测量路径的整个数据集以误差的角度远离路径摆动。这可在路径的端部处导致极大的位移。
进一步地，在Danisch′107中，光纤为预先成型的并且处于不适合轴向压缩的互相支撑的关系，并从而侧向膨胀以符合封闭表面。Danisch′107并未教导笔直阵列，其可卷起在可笔直展开的卷轴上，并且然后通过将其插入中空外骨架部分并施加用于固定包括的轴向压缩力来形成螺旋。相反，Danisch′107要求多个光纤被预先成型为具有固定尺寸的互相支撑的螺旋，所述构造并不适于使用测量倾斜的重力传感器。未给出由柔性接头隔开的刚性体的教导，刚性体提供沿着参考重力的区域对倾斜均匀取样，而不是沿着通过与物体的接触容易变形的柔性构件对弯曲取样的装置。未给出提供扭转刚度但允许在刚性体之间弯曲的柔性接头的教导。未给出相对重力参考所有传感器的教导，使得取向误差不可以向上传播到计算链。未给出刚性体中的传感器的教导，使得取向可由重力传感器直接读取，而不是从弯曲和扭转的测量进行推断。此外，未包括第二中空外骨架部分，所述第二中空外骨架部分包括第一传感阵列部分，因此提供保护第一部分、减少传感器数目、提供长标距长度以及第二中空外骨架部分的分离制造、供应、输送和安装的优点。
尽管可在取向的完全球形范围内使用弯曲传感器和扭曲传感器进行3D测量，但弯曲传感器和扭曲传感器的精确度将它们从监控地质技术参数的使用中排除。数十年来，对于几十米的阵列长度，地质技术测量必须精确到一毫米或两毫米。实际的低成本弯曲传感器和扭曲传感器，诸如在Danisch′107和′672现有技术中使用的光纤曲率传感器并不具备该种精确度。它们能够精确到每天每米约1cm，这对于地质技术测量来说是太差的数量级。
Danisch′672描述了：
“一种以柔性衬底形式提供的位置、取向、形状和动作测量工具，其中弯曲传感器和扭曲传感器以已知间隔沿其表面分布。带式衬底为优选的。基于检测到的弯曲值和扭曲值，从相互参考传感器的位置和取向计算衬底的几何构造。合适的应用包括用于动画中的人类的动作捕捉、输入到计算机的六个自由度、大的非奇异工作空间内的轮廓测量和位置追踪。”
所述Danisch′672(“形状带”)不适于安装在中空管中以用于测量3D形状，因为“形状带”不可以在其平面内弯曲，并且不会对将该类弯曲强加于其条带形式上的中空外骨架部分的形变做出良好反应(其可扣住或断裂)。Danisch′672也未教导用于增大的精确度的重力计量传感器的使用，如以上关于Danisch′107所讨论的。
Danisch′672、′107或′363，或者现有技术倾斜计均未教导通过由阵列形式的轴向压缩引起的侧向膨胀的方式将阵列固定在表面内。现有技术中的任一种也未提供通过中空外骨架部分的方式或者通过使用相同的中空外骨架部分以实现长标距长度的方式来保护阵列免受外部力的作用，同时维持良好柔性的装置。
发明内容
为克服常规倾斜计和SAA的缺陷，在本发明的一个方面中提供了二分传感器，其包括能够装配成单传感系统的两个部分，其中：
第一传感阵列部分包括：
在重力场内的传感器阵列，其包括：
带有传感器的刚性体，其具有重力计量传感器以用于测量所述刚性体在重力场中的倾斜，所述带有传感器的刚性体由细长挠性件隔开，
细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲，
细长挠性件的扭转刚度选自以下项：
·当二分阵列安装在非水平路径中时的高扭转刚度，
·当二分阵列安装在非垂直路径中时的任意扭转刚度，
所有带有传感器的刚性体和细长挠性件具有已知尺寸，
所述带有传感器的刚性体中的至少一个在世界坐标系中具有已知位置和取向，
所述传感器阵列适用于从刚性体的尺寸和倾斜以及细长挠性件的扭转刚度确定每个带有传感器的刚性体在世界坐标系内的取向；以及
第二中空外骨架部分，包括：
具有已知尺寸的中空外骨架节段(HES)，其由具有已知尺寸的中空外骨架接头(HEJ)隔开，
所述HEJ能够以两个自由度弯曲，
所述HES和HEJ具有中心体积，所述中心体积能够接纳所述第一传感阵列部分的插入，
第一传感阵列部分的带有传感器的刚性体以三个自由度保持在相对HES的不变取向中，
第二中空外骨架部分能够被拆卸，
所述HES、HEJ、带有传感器的刚性体和具有长度的细长挠性件遵循所述插入，所述长度允许所述第一传感阵列部分的至少一个带有传感器的刚性体包括在每个HES内，
所述第一部分插入所述第二部分，并适用于从HES和HEJ的尺寸、带有传感器的刚性体的倾斜、细长挠性件的扭转刚度以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，确定每个HES在世界坐标系内的位置和取向；其中对现有技术的改善为：
·提供感测系统，其具有长标距长度、可运输作为卷绕在卷轴上的分离、紧凑、校准、防水、电动机械传感部分，以及未校准的另一组中空仅机械部分，其在安装之后一起形成校准传感系统，
·HES不要求通过从HES到邻近HES的已知扭转取向进行装配，
·第一传感阵列部分的坚固机械保护，
·减少被要求用于沿着路径进行感测的传感器数目，以及
·第一传感阵列部分可从第二中空外骨架部分恢复，即使第二部分被夹住。
在另一个方面中，提供了二分传感器阵列，其包括能够装配成单传感系统的两个部分，所述二分传感器阵列包括：在重力场内的第一传感阵列部分，其包括：带有传感器的刚性体，其具有重力计量传感器以用于测量所述刚性体在重力场中的倾斜，带有传感器的刚性体由细长挠性件隔开，细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲，带有传感器的刚性体和细长挠性件具有已知尺寸，所述带有传感器的刚性体中的至少一个在世界坐标系中具有已知位置和取向，细长挠性件具有选自以下项的扭转刚度：(1)当二分阵列安装在非水平路径中时的高扭转刚度；以及(2)当二分阵列安装在非垂直路径中时的任意扭转刚度，所述传感器阵列适用于从带有传感器的刚性体的尺寸和倾斜以及细长挠性件的扭转刚度确定每个带有传感器的刚性体在世界坐标系内的取向；以及第二中空外骨架部分，其包括：具有已知尺寸的中空外骨架节段(HES)，其由具有已知尺寸的中空外骨架接头(HEJ)隔开，所述HEJ能够以两个自由度弯曲，所述HES和HEJ具有中心体积，所述中心体积能够接纳所述第一传感阵列部分的插入，第一传感阵列部分的带有传感器的刚性体以三个自由度保持在相对HES的不变取向中，第二中空外骨架部分能够被拆卸，所述HES、HEJ、带有传感器的刚性体和具有长度的细长挠性件遵循所述插入，所述长度允许所述第一传感阵列部分的至少一个带有传感器的刚性体包括在每个HES内，其中所述第一传感阵列部分插入所述第二中空外骨架部分，并适用于从HES和HEJ的尺寸、带有传感器的刚性体的倾斜、细长挠性件的扭转刚度以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，确定HES中的每个在世界坐标系内的位置和取向。
在一个实施例中，HES为圆柱形管，其具有当经受已知范围的外部力和力矩时足以使HES保持笔直的弯曲刚度。
在另一个实施例中，HES为圆柱形管，其具有当经受已知范围的外部力和力矩时足以使HES在整个长度上一般保持恒定的弯曲刚度，并且第一传感阵列部分的多于一个的刚性体被包括在每个HES内，以便测量并补偿弯曲。
在另一个实施例中，HES和HEJ由于具有相同的弯曲刚度而形成整体外骨架，并且第一传感阵列部分的带有传感器的刚性体沿着外骨架以充分靠近的间隔间隔开，从而当外骨架经受已知范围的外部力和力矩时，对表示整体外骨架形状的倾斜取样至期望的精确度水平。
在另一个实施例中，通过在HES和HEJ内使第一传感阵列部分形成螺旋形状实现不变取向，所述螺旋形状与HES和HEJ的内表面重复接触。
在另一个实施例中，通过在大致垂直的刚性体与第一传感阵列部分的接头以及HES与HEJ的内表面之间的紧密配合实现不变取向。
在另一个实施例中，通过在大致垂直的刚性体以及与HES和HEJ的内表面重复接触的细长挠性件的螺旋形状之间的紧密配合实现不变取向。
在另一个实施例中，第二中空外骨架部分为螺旋形状，所述螺旋形状与圆柱形保护壳的内表面重复接触。
在另一个方面中，提供了一种将第一传感阵列部分放置在沿其长度具有均匀弯曲刚度的整体外骨架内的方法，第一传感阵列部分稀疏地分布有带有传感器的刚性体，方法包括：将直接倾斜分配到对应于带有传感器的刚性体的位置的外骨架的部分，以及基于在直接倾斜上运算的内插或样条函数，将内插倾斜分配到不对应于带有传感器的刚性体位置的部分，其中外骨架的形状通过对沿着外骨架的轴向范围的内插倾斜和直接倾斜积分确定。
在另一个方面中，提供了一种装配HES和HEJ以形成笔直保护壳的方法，方法包括：将第一传感阵列部分插入保护壳中，所述第一传感阵列部分具有带有传感器的刚性体以及具有高扭转刚度的细长挠性件，将第一传感阵列部分固定在保护壳中以形成二分传感器阵列，其具有每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，将二分传感器阵列固定在土壤或结构中，使用所包括的传感器读取HES的倾斜，以及当HES和HEJ遵循非水平路径时，从HES和HEJ的尺寸、带有传感器的刚性体的倾斜、细长主体的扭转刚度，以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向来计算二分阵列的形状。
在另一个方面中，提供了一种装配HES和HEJ以形成笔直保护壳的方法，方法包括：将第一传感阵列部分插入保护壳中，所述第一传感阵列部分具有带有传感器的刚性体以及具有任意扭转刚度的细长挠性件，将第一传感阵列部分固定在保护壳中以形成二分传感器阵列，其具有每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，将二分传感器阵列固定在土壤或结构中，使用所包括的传感器读取HES的倾斜，以及当HES和HEJ遵循非垂直路径时，从HES和HEJ的尺寸、带有传感器的刚性体的倾斜、细长主体的扭转刚度，以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向来计算二分阵列的形状。
附图说明
为更好地理解本发明以及其他方面及其进一步特征，参考将与随附附图结合使用的以下描述。
图1：插入钻孔中的现有技术SAA。
图2：在笔直套管和变形套管中的现有技术SAA的正视图以及从正交视角看去的三个数据曲线图。
图3：二分阵列的正视图，其中第一传感阵列部分由HES和HEJ包括在套管中，所述套管为笔直的和变形的。
图4：具有短挠性件的第一传感阵列部分的正视图，其中仅分布一些节段。
图5：第二中空外骨架部分的正视图。
图6：HEJ的3D透视图。
图7：二分阵列的正视图，其中带有螺旋形式的长挠性件的第一传感部分由HES和HEJ包括。
图8：二分阵列的正交正视图，其中第一传感阵列部分内置在扭转刚性软管中。
图9：形成螺旋的二分阵列的正视图，其中第一传感阵列部分通过接合刚性体的液压软管构建。
图10：二分阵列的两种结构，一种结构具有非膨胀接头，一种结构具有膨胀接头。
图11：在套管中处于螺旋形式的图10的膨胀接头样式的正交正视图。
图12：现有技术弓形弹簧扶正器的正视图。
图13：通过弓形弹簧扶正器保持在套管中的整体外骨架的正视图。
图14：整体外骨架的正视图，其中在内部的第一传感阵列部分通过弓形弹簧保持在套管中。
具体实施方式
如本文所用，短语“世界坐标系”或“WCS”被理解成意为以地球或任何其他质量块体作为参考的一组笛卡尔轴。在刚性体阵列中不具有相对WCS具有位置和取向两者的已知参考的刚性体的情况下，仍然可能知道阵列的形状，但仅部分知道(方位角将为未知的)形状在重力场中的取向，并且将不存在与重力源有关的位置信息。重力的方向朝向质量块的中心。“重力向量”是指该方向。“重力的方向”也是指该方向，所述“重力的方向”在地球上被称为“垂直的”。
如本文所用，短语“倾斜”与“取向”同义。本文所参考的倾斜涉及滚动、俯仰和偏航。例如，垂直圆柱形刚性体可围绕垂直(Z)轴滚动，在东-西(X)平面中俯仰，并且在北-南(Y)平面中偏航(这些方位角平面仅为示例；可指定任何正交垂直平面)。
图1示出退绕到钻孔中的现有技术SAA。其具有通过接头2接合的刚性体1。通常，卷轴3为经构建容纳SAA的节段长度(刚性体长度)的多边形形状。在这种情况下，示出了五边形卷轴。钻孔4可以为在土壤中的或钻入土木结构诸如桩、混凝土或土坝的任何套管孔或无套管孔。SAA还可在沟渠中水平地安装到笔直走向的套管中。每个节段包括三个加速计以用于测量倾斜并且任选地可用于测量振动。
现有技术SAA为完全校准测量仪器，其可形成为无任何附加结构的形状，并且将提供表示该形状的数据。由于阵列中微处理器和模拟-数字转换器的使用，所有数据在单个数字电缆上退出仪器。当节段在约+/-60度内垂直时，可从刚性体以及它们之间的接头的测量的倾斜和已知长度来确定3D形状。当节段在约+/-60度内接近水平时，由于X数据和Y数据在水平线+/-30度内的退化，软件用于仅提供在垂直平面中的2D数据。对于接近水平感测，主要使用Z倾斜传感器(当节段为水平的时，具有最大响应的那些传感器)。
本文所用的术语“非水平”和“接近垂直”指示充分垂直以允许确定3D取向和位置数据的二分阵列路径。如本文所用，术语“非垂直”或“接近水平”指示仅允许2D测量的路径。适合于2D测量的路径(非垂直路径)仅要求使用Z倾斜传感器，所述Z倾斜传感器的输出独立于围绕二分阵列路径的刚性体的滚动角。适合于3D测量的路径(非水平路径)要求围绕二分阵列路径的刚性体的滚动角的对准，使得X传感器和Y传感器将在方位角中对准。非水平路径要求第一传感阵列部分的细长挠性件的高扭转刚度。
图2示出SAA在钻孔(未示出)中在垂直套管4内的现有技术安装。套管由水泥浆(未示出)保持固定在钻孔内。SAA由管形式的刚性体1组成，所述刚性体1通过可以以2DOF弯曲但不可扭曲的接头2连接。图2中的较短刚性体5指示用于视觉效果并且可被假设为静止的(对数据无贡献)SAA的延续。套管在底部具有帽盖6。
轴向力已经被施加到SAA，使得接头膨胀并且将其紧密保持在套管内。第一视图20示出在任何形变之前的SAA和套管的XZ正面图。第二XZ正视图21示出在土壤已经侧向变形之后的系统。示出了形变数据的两个曲线图22和23。21为XZ视图，22为YZ视图。每个曲线图中的虚线8示出SAA在第一时间处的形状。每个曲线图中的实线9示出在第二时间处的形变。曲线图24为形变的XY视图。“+”标志10定位形变之前的SAA的轴。圆圈11表示套管的静止底部部分的内径。曲线图24中的实线9为分别在XZ视图22和YZ视图23中示出的实线的自上而下的平面图。曲线图22-24中的轴7分别指示每个视图XZ、YZ和XY的坐标。
二分阵列的第一部分为通过挠性件连接的刚性体(诸如圆柱形管)阵列，如果阵列的路径为非水平的，则挠性件具有扭转刚性，并且如果阵列的路径为非垂直的，则挠性件可具有任意扭转刚性。挠性件可足够长使得它们允许刚性体之间的大的位置位移，所以第一部分不可以被它自身用来感测2D形状或3D形状。使用倾斜传感器沿路径对形状进行建模要求包括倾斜传感器的刚性体之间存在铰链状接头，并且所有刚性体均配备有传感器。否则，邻近刚性主体的侧向平移可改变形状而不改变任何倾斜。
螺旋为沿着它们的长度具有恒定弯曲和扭曲的数学空间曲线。重要的是要注意，空间曲线的数学扭曲没必要与机械扭曲相同，所述机械扭曲由管状固体的扭转剪切引起。空间曲线不具有厚度，所以沿着其长度不可以具有机械扭转(机械扭曲)。柔性圆柱形固体诸如橡胶杆可形成螺旋，并且可具有显著的机械扭曲。直杆可具有机械扭曲，但决不可具有数学扭曲，因为其中心轴为直线。对于螺旋杆，机械扭转的量级和方向可与为杆的中心的路径(空间曲线)计算的数学扭曲大不相同。在该描述中，当说到挠性件或接头不具有扭曲或不允许扭曲时，所述扭曲是指机械扭曲。数学扭曲完全由形状确定(例如，具有给定直径和俯仰的螺旋的数学扭曲)。材料的扭转刚度允许或不允许机械扭曲。扭转刚度为样本的端部诸如管的端部可在当样本笔直时端对端施加的给定力矩下旋转的量。对于给定扭矩，高扭转刚度导致小的旋转。
在所施加的扭矩范围内施加扭转刚度，如任何材料的扭转刚度，其中在所施加的扭矩范围内，刚度大致为线性的并且在其被移除之后由扭转生成的任何扭曲弹性返回。当扭转刚性管(或杆、软管等等)形成螺旋形状时，螺旋形式(无厚度的空间曲线)的数学扭曲将导致扭转被施加到管。在该描述中，假定该扭转被允许施加并被保持在管的扭转自由度的弹性极限内。对于每轴向长度具有几圈的螺旋，扭转将非常低并且将最低程度地影响螺旋上的传感器的方位角对准。例如，具有50mm半径和距垂直线10度俯仰角的螺旋将具有每3m长度0.33度的扭曲，其为倾斜计套管的典型规格。在实践中，在形成螺旋时将阵列的机械扭曲保持在最小值相当于在形成螺旋时允许所述管呈现数学扭曲，而无限制或干扰。如果俯仰角更接近水平，使得更多数学扭曲存在，那么更多的扭转将被施加到管。系统必须经设计将该扭转保持在管的弹性极限内。倾斜传感器可用于读取扭曲量，并且用于计算螺旋形状的数学运算可被适当地调整。当刚性体变得更接近水平时，通过传感器的扭曲读取就变得更精确。这是增加atan(ax/ay)中的ax和ay量级的结果，所述atan为刚性体的“滚动”角，并且ax和ay为传感器的静态X和Y加速度，所述传感器在刚性体垂直时对倾斜最为敏感。
所以，当本文说到挠性件或接头“不可以扭曲”，或为“扭转刚性”，或具有“高扭转刚度”时，其意为扭转在弹性极限内并且扭曲可为忽略的或者可使用已知的几何结构和滚动角的测量加以校正。优选地，数学扭曲保持为可忽略的，这通常可通过为阵列的形状选择有利的几何结构来完成。
第二部分中空外骨架必须满足具有接头(HEJ)的要求，所述接头可被模型化为2DOF铰链(在大约围绕中心点的任意方向上弯曲的铰链)。第二部分的接头没必要排除扭曲，因为该条件可通过第一传感阵列部分实施，所述第一传感阵列部分具有抵抗扭曲的挠性件。第一部分的刚性体与第二部分的刚性体之间的固定接触可足够用于排除来自两者的扭曲。此外，一些安装诸如以几何约束或通过几何约束灌浆的那些可防止HEJ的任何扭曲。然而，为了更加确定和更大的形变，使HEJ也抵抗扭曲可以是可取的。由于外部的第二部分中存在较少的接头，所以这可简单通过保持接头短来完成。将编织物添加到接头以抵抗扭曲也是可能的。在HEJ中不应允许位置平移。它们应仅弯曲。
当第一传感阵列部分的刚性体大致垂直时，它们具有相对彼此的已知方位角取向。这通过现有技术方法来完成，所述方法在每个带有传感器的刚性体中使用X传感器和Y传感器，以便当第一传感阵列部分笔直和水平时测量主体的滚动角。每个主体的滚动角为atan(ax/ay)，其中ax和ay为通过X传感器和Y传感器读取的静态加速度。X传感器和Y传感器为MEMS(微型机械机电系统)加速计，所述加速计被取向成当刚性体垂直时以最大敏感度读取重力加速度。通过表征滚动角，阵列可被校准用于滚动，这在阵列为非水平时是重要的。滚动校准等同于知道非水平时的每个刚性主体的方位角。
自然地，随着时间保存滚动角校准取决于在第一传感阵列部分中具有高扭转刚度的细长挠性件。这对于将用于非垂直安装中的二分阵列是不必要的，但并非是不良的。高扭转刚度允许任何取向中的安装。
与第一传感阵列部分的已知方位角取向相反，第二中空外骨架部分在装配时无需使其接头在方位角上对准。这使得装配和构造在成本上降低。例如，倾斜计套管必须在其接头的每个处非常小心地对准，并且包括用于实现并维持该对准的特殊构造。
中空外骨架节段(HES)可被制成非常坚固的，例如由厚金属制成，以抵抗来自外部的破碎力。HES可由本地材料制成，诸如钢管、铝管、碳纤维管或玻璃纤维管。在HES之间的中空外骨架接头(HEJ)可由橡胶、热塑性橡胶或任何柔性材料铸造。优选地，HEJ和HES的内径应相同，以防止对第一传感阵列部分的插入或提取的干扰。可通过在管道轴向部分内的圆周方向上形成锯切口在刚性管中制造HEJ，所述管道被指定作为HEJ弯曲。管道的其他部分将变成HES。多个管道可被弓丝并设有螺纹以用于现场装配。
每个HES的长度可相当长，诸如2米至5米长，但较短的HES可为有用的，特别是用于岩石中的感测，其中保护方面可比传感器减少方面更加重要。对于任何给定的HES长度和HEJ长度，第一传感阵列部分的刚性体的间隔应使得一个刚性体在第一部分和第二部分的结合时被包括在一个HES内。优选地，应在两部分均笔直时匹配间隔，并且第一部分的刚性体不应与任何HEJ的轴向位置一致，否则可妨碍HEJ自由弯曲。当HES特别长时，以及担心它们可在其长度上有些弯曲，每个HES可包括两个或更多个带有传感器的刚性体，并且所述刚性体可用于解释弯曲。优选地，如果使用一对刚性体，则它们应靠近每个HES的端部。
第二中空外骨架部分提供对第一传感阵列部分的保护，同时也提供比连续套管诸如常规倾斜计套管所允许的灵活性更大的灵活性。更大的灵活性当然归因于HEJ。对于大部分形变，短HEJ是合适的，使得HEJ不显示可被岩石轻易穿透的弱化区。
图3示出由第一传感阵列部分组成的二分阵列，第一传感阵列部分包括从卷轴3进入加套管的钻孔的刚性体1和柔性接头2。钻孔也可是未加套管的。接头能够以2DOF弯曲并且是扭转刚性的。在其他方面类似现有技术SAA的整个阵列中，刚性体1分布有传感器14或未分布有传感器14。未分布的刚性体和分布的刚性体(即，未带有传感器和带有传感器)被分别指定为12和13。根据所作出的测量，传感器14可以为单轴的、双轴的或三轴的(通常14将表示带有传感器的电路板以及紧固安装在刚性体内部的辅助电子部件)。为简单起见，仅在套管内部的刚性体被示为分布的和未分布的，但应该理解，该模式可控制整个第一传感阵列部分。带有传感器的刚性体和未带有传感器的刚性体的分布也可能沿着第一传感阵列部分变化，以匹配HES和HEJ的不同长度，或提供未带有传感器的“引导”部分，其中不期望土壤变形并且不需要进行测量。
由于它们并不持有传感器，所以未带有传感器的刚性体12以及隔开带有传感器的刚性体13的它们的关联接头2一起形成细长挠性件，细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲，并且是扭转刚性的。这意味着细长挠性件可将大的误差引入到第一传感阵列部分的任何形状测量，除非该细长挠性件被包括在第二中空外骨架部分内，或以其他方式被约束，使得细长挠性件不需要倾斜数据。
在该示例中，第一传感阵列部分通过现有技术接头2的方式包括在第二中空外骨架部分中，所述接头2在轴向压缩力下膨胀。力包括重力和任何附加力，诸如砝码、弹簧或由螺丝保持的后负载。现有技术接头2在轴向压缩下侧向扩展并在一定程度上缩短。
第二中空外骨架部分包括通过中空外骨架接头(HEJ)16接合的中空外骨架节段(HES)15。在该实例中，HES为刚性管并且HEJ为例如通过粘合剂、铆钉、螺丝或通过带夹(未示出)附接到管的端部的弹性体联结器。在该示例中，HES和HEJ将被灌浆到套管4(或灌浆到未加套管的钻孔)中。通过垫片或扶正器的方式将外骨架(组合的HES和HEJ)联结到较大的套管或钻孔也是可能的，使得较大主体的倾斜转移到外骨架的每个节段。每个HES将使用至少一个扶正器，并且一般将需要两个。同时，第一部分和第二部分形成二分传感器阵列，所述阵列能够获取关于HES在钻孔内的倾斜的数据。
第一传感阵列部分经布置使得其接头2与HEJ几乎完全匹配，并且一个带有传感器的刚性体在每个HES中。HES和HEJ包括第一传感阵列部分。在该公开中，这指的是第一传感阵列部分的“保护壳”。
在图3，视图20示出未变形套管内的二分传感器阵列。在视图21中(为简单起见省略了卷轴)，套管已经由于土壤运动或者结构或保持套管的任何介质的运动而变形。HES保持刚性和倾斜以符合在HEJ处弯曲的套管的新形状。由于带有传感器的刚性体13被固定地包括在HES内，所以它们从每个HES提供倾斜的测量。
图4示出第一传感阵列部分，其未受到在二分阵列的第二中空外骨架部分中保护壳的约束。第一传感阵列部分的范围(到附图中绘制出的范围；第一部分将通常在图中上方和下方继续)由括号线19指示。第一传感阵列部分由包括传感器14的带有传感器的刚性体13和未带有传感器的刚性体12组成。现有技术接头2连接两种类型的刚性体，所述接头2以2DOF弯曲并且是扭转刚性的。用括号17(为了强调)示出了一个带有传感器的刚性体的范围。未带有传感器的刚性体以及带有传感器的刚性体之间的接头一起形成细长挠性件22，细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲并且是扭转刚性的。
图5描绘了第二中空外骨架部分。其在图中的范围由括号20示出。第二外骨架阵列部分由中空外骨架节段(HES)15(在该示例中为管)组成，所述中空外骨架节段(HES)15通过中空外骨架接头(HEJ)16(在该示例中为柔性弹性体)接合。HES在HEJ的每个端部处适合外部大直径区域21。HEJ的中心的较小直径区域22为HES提供挡块、提供柔性区域，并匹配HES的内径，使得第一传感阵列部分可平滑地通过接头。
图6为HEJ16的透视图，其示出较小直径区域(图5中的22)的直径23，以及HEJ的两个较大直径区域(图5中的21)中的一个的直径24。
图7示出了二分阵列的可选版本，其中第一传感阵列部分具有带有传感器14的刚性体13。刚性体通过弯曲但扭转刚性的细长挠性件22隔开。在未被第二中空外骨架部分包含的情况下，第一部分将会是差的测量工具，能够丢失刚性体之间的任何倾斜的测量。挠性件形成具有施加的轴向压缩力的螺旋，从而保持挠性件在HES 15中稳定，这是因为螺旋在轴向压缩力的下将侧向扩展。作为螺旋挠性件22的力和力矩的结果，第一部分的刚性体保持稳定，并且可通过紧密配合或弹簧保持更加稳定。挠性件可弯曲或从端部到端部侧向移位，但是为扭转刚性的。
图7的可选版本具有以下优点：长挠性件减少对第一传感阵列部分的零件的长度公差的需求，使得容易一直具有第一部分的挠性件，其中存在第二中空外骨架部分的柔性接头(HEJ)。这可在将两个HES 15连接在一起的HEJ 16附近看出。大部分二分阵列将具有更多个刚性体、接头、HES和HEJ。
挠性件在不处于第二中空外骨架部分中时侧向移位的能力允许用于包装第一传感阵列部分以用于运输的更多选择，并且使得现场处理简单。
图8示出二分阵列的两个正交立面图(坐标由轴7指示)，其中第一传感阵列部分由在间隔处包括传感器14的扭转刚性软管22组成。传感器14可以为双轴的或三轴的。传感器的两个轴(均标记为14)在XZ视图中被示出为两个箭头，并且在YZ视图中被示出为一个箭头，因为从正交视图看去它们处于一个平面。由于轴向压缩力的施加，螺旋形状使整个软管保持固定在HES中，所述轴向压缩力可来自重力或重力加上附加力。在二分阵列的顶部附近，附加力是所希望的，其中上方不存在足够的阵列用于单独通过重力创建足够的力。轴向力将使螺旋扩展，直到所述螺旋抵靠HES 15和HEJ 16的内部。软管具有分隔较开的带有传感器的刚性体，使得刚性体之间的软管自由弯曲和移位，但是为扭转刚性的。HES和短HEJ防止位移，但在无位移或扭曲的情况下允许2DOF弯曲。端盖6提供被施加到螺旋的轴向压缩力的反作用力。
图9示出第一传感阵列部分的螺旋布置，其被包括在HES 15和HEJ 16的内部。带有传感器的刚性体13包括传感器14并且通过可在2DOF中弯曲但扭转刚性的柔性管22连接，并且如果未被进一步约束在由HES和HEJ形成的第二中空外骨架部分中，则可侧向移位。在该示例中，包括刚性体的第一传感阵列部分的整个路径具有大致螺旋形状。
如同在图8中，在图9中，第一传感阵列部分由于螺旋而在HES和HEJ内保持固定和稳定，所述螺旋在轴向压缩力下侧向扩展。
图10示出两种类型的第二中空外骨架部分，其中内部的第一传感阵列部分处于由可在2DOF中弯曲且抵抗扭曲的柔性管材22制成的螺旋形式，所述螺旋形式具有带有传感器的刚性体13，当借此包括在HES 15中时，所述传感器致力于测量HES 15的倾斜。HES由接头16或23连接。接头16与先前图中诸如图9中的那些相同。接头23为当被轴向压缩时侧向膨胀的现有技术接头，如在该描述中先前所讨论的用于第一传感阵列部分上的接头。在该示例中，它们任选地用于第二中空外骨架部分。接头16和23可在2DOF中弯曲。如果所包括的第一传感阵列部分的扭转刚度足够大并且其足够紧地配合以防止16或23的扭曲，则接头16和23可任选地允许一些机械扭曲。为简单起见，传感器14未在图中示出，但应理解，它们被包括在刚性体13中。HEJ 23可用于使第二中空外骨架部分紧密地配合到钻孔中的套管，套管的直径仅稍微大于HEJ。然而，在下一个图的示例中，HEJ 23将用于第二中空外骨架部分的螺旋布置。
在第二中空外骨架部分内的第一传感阵列部分的螺旋布置导致HES的倾斜以及第一传感阵列部分中刚性体的倾斜之间的偏移。但该偏移可为已知的并且可被解释。由于螺旋形状迫使第一部分的刚性体靠着HES的内壁，所以所述偏移在HEJ 16的大的角度范围内保持恒定。
在图11中，二分阵列以螺旋形式布置在套管4内，套管4配备有底部帽盖6。图11示出了第一传感阵列部分的刚性体13，但(为简单起见)未示出保持它们的柔性管22和在管中的传感器14。因为螺旋形式提供二分阵列在套管中的固定放置，所以第二中空外骨架部分也可具有非膨胀接头(图10中的16)。但在该示例中，其具有膨胀接头23。轴7为示出的两个正交视图(XZ视图和YZ视图)标记坐标。螺旋23的中心线也是套管的中心线。
所以在图10和图11的示例中，在螺旋形式内部存在螺旋形式。第一螺旋形式是第二中空外骨架部分中的第一传感阵列部分。第二螺旋形式是套管中的二分阵列。套管可被未加套管的钻孔或任何圆柱形空隙取代。当被完全地装配有第二部分中所包含的第一部分时，该第二螺旋形式包括通过短接头(HEJ)隔开的带有传感器的刚性节段(HES)，所述短接头允许2DOF弯曲、不允许扭曲且不允许位置位移。
在典型的二分阵列安装中，第一传感阵列部分将到达卷轴，并且第二中空外骨架部分将到达具有隔开的HES和HEJ的盒子。HES和HEJ将被连接在一起，因为它们均被插入垂直钻孔以形成HES的下降链，其中最底部的HES被加盖。然后，HES和HEJ将垂直地悬挂在钻孔的底部上方，并且第一传感阵列部分将退绕到HES和HEJ中。将添加轴向压缩力以使第一传感阵列部分形成螺旋形状，或者用于使第一部分刚性体紧密地配合在HES中，可添加轴向力以使接头扩展用于固定配合。
然后，将HES和HEJ下降到钻孔的底部，并且如果需要，将添加除重力的轴向压缩力以外的额外轴向压缩力，以使二分阵列在钻孔中形成其最终形式。最终形式可以为螺旋，或特别是如果HEJ为可扩展的，所述最终形式在套管内可以为笔直的。
钻孔的套管可以省去，其中HES和HEJ与围绕钻孔的土壤接触，或者可被灌浆到钻孔中。如果套管存在，则HES和HEJ还可被灌浆到套管中。如果被灌浆到套管中，则HES和HEJ将不可移动，但第一传感阵列部分将可移动。通常，第二外骨架部分的HES和HEJ被包括在大致圆柱形钻孔(加套管或未加套管)内，因此被包括在“保护壳”内。在一些情况中，第二中空外骨架部分的保护壳不在土壤中的钻孔中，但相反可以为结构中或结构上的任何圆柱形空隙。
当HES和HEJ笔直悬挂在钻孔中时，可从第一传感阵列部分获取数据。该数据可用于确认HES与带有传感器的刚性体之间的角度偏移，或用于测量所述角度偏移。确认将与该情况有关，其中已经从第一传感阵列部分的尺寸和期望螺旋形状(如果使用螺旋)已知角度偏移，并且HES并非完美地垂直，使得主要测量是不可能的。完全确认将要求使二分阵列在钻孔中旋转已知量，以显示偏移以及HES在第二中空外骨架部分中的倾斜。
类似的阵列装配可在水平沟渠中进行，或被拉入水平套管中。例如，HES和HEJ可被拉入水平套管中。然后，第一传感阵列部分可被拉入HES和HEJ中。第一传感阵列部分可留在每个HES的底部，通过重力保持在那里。或者通常可通过添加轴向压缩力来实施各种螺旋或膨胀接头的固定方法。
在图3至图11中所描绘的HES和HEJ的示例中的任一个可被修改使得HEJ具有与HES相同的弯曲刚度。在这种情况下，外骨架变成具有对沿着其长度在任何地方施加的力的均匀弯曲响应的整体结构。在这种情况下，HEJ为接近刚性的联结器并且可沿着其长度在数目上减少。该“整体外骨架”套管将被看作早前在该说明中介绍的套管的延伸，其中不止一个带有传感器的刚性体被包括在长HES内，HES足够长使得其可弯曲，并且多个带有传感器的刚性体用于对所述弯曲进行取样。整体构造可应用于包括螺旋形式的各种安装方法中的任一种。在螺旋套管中，外骨架的弯曲刚度必须足够低以允许实际的轴向力形成螺旋，并且必须足够高使得螺旋不能从顺时针到逆时针倒转方向或反之亦然。整体套管的限制在于所施加的形变必须使得在不被带有传感器的刚性体服务的外骨架的部分中，将不丢失倾斜的重要细节。但存在许多此类情况，特别是在以下构造项目中：其中陡峭的剪切区域通常不存在，以及其中形变的量级通常为适度的，或者其中仪器仅用于确认无形变发生。
在整体套管中，可通过认为外骨架起到机械花键或薄构件的作用来方便地测量形变，所述薄构件以可使用多项式拟合或内插函数被建模为数学样条曲线的方式弯曲。基于样条函数的特性，此类函数可为丢失的倾斜信息“填补空白”。因此，稀疏分布有带有传感器的节段的整体套管可以为具有延伸节段的另一种装置。在整体套管中，延伸是“连续的”，与其中HEJ比HES更具柔性的套管中的“不连续”相对。稀疏分布的外骨架具有与带有传感器的刚性体的位置关联或对应于该位置的部分，以及不那么关联或对应的部分。在前者，可被测量“直接”倾斜，即，直接部分的实际倾斜。在后者，可被称为“内插”倾斜。当沿着外骨架形成表示接近连续倾斜的一组紧密间隔的数据时，一些内插和样条函数可保存直接倾斜，其他的可并非如此。内插或样条函数可经选择用于响应于弯曲，最接近地表示外骨架的机械特性。
样条函数为用于空间频率分量的低通滤波器，使得移除对应于高空间频率的陡峭倾斜变化。沿着样条函数对倾斜取样类似于适时地对波形取样。当适时地对波形取样时，必须确保波形不包含超过取样频率的一般的频率分量，否则信息将丢失。这是“奈奎斯特准则”，“香农-奈奎斯特定理”(参见1949年1月的第1期第37卷，无线工程师的过程协会，C.E.香农的“噪声存在情况下的通信”)(see C.E.Shannon,“Communication in the presenceof noise”,Proc.Institute of Radio Engineer,vol.37,no.1,Jan.1949)的一部分。香农-奈奎斯特准则可用于在整体外骨架内设计带有传感器的刚性体的间隔，或非整体外骨架中足够长的任何HES，以保证每个HES使用不止一个带有传感器的刚性体。
图12至图14示出了整体套管的一个示例。图12示出现有技术弓形弹簧扶正器25，其用于将管保持在较大管的中心处。扶正器具有打蛋器的形式。可由矩形弯曲弹簧钢制成的弓形弹簧26被提供有圆带形式的安装环27，以用于将扶正器固定到圆形管的外侧。图13示出扶正器的截面图，所述截面在其中弓形弹簧达到它们的侧向极限的情况下截取，从而通过四个弓形弹簧26的方式使整体外骨架15保持靠近套管4的中心。为简单起见，未示出安装环。最内圆形物体12表示第一传感阵列的节段，其通过膨胀接头或其他固定装置的方式被保持在外骨架15内。
其他类似的现有技术扶正器包括紧密配合的气缸、螺旋弹簧和带有弹簧的轮子组件。扶正器可突出到倾斜计套管中的凹槽中，以提供对整体外骨架的方位角的控制。扶正器的另一个名称为“垫片”。
图14示出在第二外骨架部分15(在该实例中为整体柔性管)内部的第一传感阵列部分，其包括刚性体1和柔性接头2。由小矩形14指示的带有传感器的刚性体13与未带有传感器的刚性体12交替，所述小矩形14表示附接到刚性体的传感器。外骨架通过弓形弹簧扶正器25保持在套管4内。
当使用扶正器或垫片在套管或钻孔中支承整体外骨架时，可通过应用以上的香农-奈奎斯特定理来确定垫片的位移。扶正器将钻孔的位移转移到外骨架。可能通过内部的阵列修改的且如通过垫片保持的外骨架的机械特性(即其弯曲刚度)确定外骨架的最高空间频率含量。垫片或扶正器必须在足够小的间隔处，使得套管位移的空间频率以期望的保真度水平转移到外骨架。预期的最坏情况下的钻孔形状的傅立叶分析可用于选择扶正器间隔，所述间隔将所有重要的位移捕获至期望的精确度水平。
傅立叶分析也可用于确保以足够的频率对外骨架的形状进行取样，使得所取样的倾斜可用于表示外骨架的形状。
限制扶正器的数目可导致成本节约和最短安装时间。此外，限制传感器的数目可导致极大的成本节约，并且可使用空间频率取样理论设计扶正器和传感器数目的减少。
整体外骨架还可在无垫片的情况下使用，其中外骨架被灌浆到钻孔(加套管或未加套管)中。水泥浆可被设计有足够的柔性以充当作为连续的扶正器。另一个选择为以螺旋形式安装整体外骨架，其中第一传感阵列部分在内部。第一传感阵列部分可由带有小接头的节段组成，或者由如已经被描述用于非整体外骨架的较长柔性接头隔开的刚性节段组成。
使用取样的倾斜计算外骨架的形状包括沿着外骨架(在存在传感器的任何地方)以已知的较宽隔开的间隔对倾斜取样，应用样条函数或内插函数以沿着外骨架的长度形成连续的或接近连续的一系列紧密间隔的倾斜，并且然后对紧密间隔的倾斜进行空间积分以获得表示外骨架形状的紧密间隔的位置。结束条件，诸如假定具有超过外骨架的恒定倾斜的附加(虚拟)节段，可用于改善靠近外骨架端部的内插。
由于每段长度的较低传感器计数、更坚固构造的较低运输成本(因为HES和HEJ可在本地制造)，以及降低的安装复杂性和难度，因此二分阵列提供成本减小，这也降低了全部成本。第一传感阵列部分的保护起因于使用比传统上可能用于节段的材料更厚的材料，同时将易碎零件保持在第二中空外骨架部分内部的能力。在所有情况下，除非形变为极端的，否则可恢复第一传感阵列部分，即使必须留下第二中空外骨架部分。
前述内容已经构成了对特定实施例的描述，其示出本发明可如何应用和付诸实践。这些实施例仅为示例性的。在下面的权利要求中将进一步描述和限定在其最广泛的含义下的本发明及其更多具体的方面。
这些权利要求以及本文所用的语言应按照已经描述的该发明的变式加以理解。它们并非局限于此类变式，而是将其阅读理解为覆盖该发明的全部保护范围，如在该发明和本文已经提供的公开内所隐含的那样。

Claims (11)

1.一种包括能够装配到单传感系统的两个部分的二分传感器阵列，所述二分传感器阵列包括：
在重力场内的第一传感阵列部分，其包括：
带有传感器的刚性体，其具有重力计量传感器以用于测量所述刚性体在所述重力场中的倾斜，所述带有传感器的刚性体由细长挠性件隔开，所述细长挠性件能够以两个自由度非单调地和非恒定地弯曲，所述带有传感器的刚性体和细长挠性件具有已知的尺寸，所述带有传感器的刚性体中的至少一个在世界坐标系中具有已知位置和取向，所述细长挠性件具有选自以下项的扭转刚度：(1)当所述二分传感器阵列安装在非水平路径中时的高扭转刚度；以及(2)当所述二分传感器阵列安装在非垂直路径中时的任意扭转刚度，
所述传感器阵列适用于从所述带有传感器的刚性体的尺寸和倾斜以及所述细长挠性件的扭转刚度确定每个带有传感器的刚性体在所述世界坐标系内的取向；以及
第二中空外骨架部分，包括：
具有已知尺寸的中空外骨架节段HES，其由具有已知尺寸的中空外骨架接头HEJ隔开，所述HEJ能够以两个自由度弯曲，所述HES和HEJ具有能够接纳所述第一传感阵列部分的插入的中心体积，
所述第一传感阵列部分的所述带有传感器的刚性体以三个自由度维持在相对所述HES的不变取向中，
所述第二中空外骨架部分能够被拆卸，
所述HES、HEJ、带有传感器的刚性体以及具有长度的细长挠性件遵循所述插入，所述长度允许所述第一传感阵列部分的至少一个带有传感器的刚性体包括在每个HES内，
其中所述第一传感阵列部分插入所述第二中空外骨架部分，并适用于从所述HES和HEJ的尺寸、所述带有传感器的刚性体的倾斜、所述细长挠性件的扭转刚度以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的所述不变取向，确定所述HES中的每个在所述世界坐标系内的位置和取向。
2.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中所述HES为圆柱形管，其具有当经受已知范围的外部力和力矩时足以使所述HES保持笔直的弯曲刚度。
3.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中所述HES为圆柱形管，其具有当经受已知范围的外部力和力矩时足以使所述HES在整个长度上通常保持恒定的弯曲刚度，并且所述第一传感阵列部分的多于一个的刚性体被包括在每个HES内，以便测量并补偿所述HES的弯曲。
4.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中所述HES和HEJ由于具有相同的弯曲刚度而形成整体外骨架，并且所述第一传感阵列部分的所述带有传感器的刚性体沿着所述外骨架以充分靠近的间隔间隔开，以便当所述外骨架经受已知范围的外部力和力矩时，对表示所述整体外骨架的形状的倾斜取样至期望的精确度水平。
5.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中通过在所述HES和HEJ内使所述第一传感阵列部分形成螺旋形状实现所述不变取向，所述螺旋形状与所述HES和HEJ的内表面重复接触。
6.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中通过在大致垂直的刚性体与所述第一传感阵列部分的接头以及所述HES和HEJ的内表面之间的紧密配合实现所述不变取向。
7.根据权利要求1所述的二分传感器阵列，其中通过在大致垂直的刚性体以及与所述HES和HEJ的内表面重复接触的所述细长挠性件的螺旋形状之间的紧密配合实现所述不变取向。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的二分传感器阵列，其中所述第二中空外骨架部分处于螺旋形状，所述螺旋形状与圆柱形保护壳的内表面重复接触。
9.一种将第一传感阵列部分放置在沿其长度具有均匀弯曲刚度的整体外骨架内的方法，所述第一传感阵列部分稀疏地分布有带有传感器的刚性体，所述方法包括：
将直接倾斜分配到所述外骨架的部分，其对应于带有传感器的刚性体的位置，以及
基于在所述直接倾斜上运算的内插或样条函数，将内插倾斜分配到不对应于带有传感器的刚性体的位置的部分，其中所述外骨架的形状通过沿着所述外骨架的轴向范围对内插倾斜和直接倾斜积分确定。
10.一种装配HES和HEJ以形成笔直保护壳的方法，所述方法包括：
将第一传感阵列部分插入所述保护壳中，所述第一传感阵列部分具有带有传感器的刚性体以及具有高扭转刚度的细长挠性件，
将所述第一传感阵列部分固定在所述保护壳中以形成二分传感器阵列，其具有每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，
将所述二分传感器阵列固定在土壤或结构中，
使用所包括的传感器以读取所述HES的倾斜，以及
当所述HES和HEJ遵循非水平路径时，从所述HES和HEJ的尺寸、所述带有传感器的刚性体的倾斜、所述细长挠性件的扭转刚度，以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的所述不变取向来计算所述二分阵列的形状。
11.一种装配HES和HEJ以形成笔直保护壳的方法，所述方法包括：
将第一传感阵列部分插入所述保护壳中，所述第一传感阵列部分具有带有传感器的刚性体以及具有任意扭转刚度的细长挠性件，
将所述第一传感阵列部分固定在所述保护壳中以形成二分传感器阵列，其具有每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向，
将所述二分传感器阵列固定在土壤或结构中，
使用所包括的传感器以读取所述HES的倾斜，以及
当所述HES和HEJ遵循非垂直路径时，从所述HES和HEJ的尺寸、所述带有传感器的刚性体的倾斜，以及每个带有传感器的刚性体相对每个HES的不变取向来计算所述二分传感器阵列的形状。
CN201480024318.1A 2013-05-02 2014-05-01 二分传感器阵列 Active CN105393082B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2815195A CA2815195A1 (en) 2013-05-02 2013-05-02 Bipartite sensor array
CA2,815,195 2013-05-02
PCT/CA2014/050417 WO2014176699A1 (en) 2013-05-02 2014-05-01 Bipartite sensor array

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105393082A CN105393082A (zh) 2016-03-09
CN105393082B true CN105393082B (zh) 2018-06-19

Family

ID=51843026

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480024318.1A Active CN105393082B (zh) 2013-05-02 2014-05-01 二分传感器阵列

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9777568B2 (zh)
EP (1) EP2992297A4 (zh)
KR (1) KR20160003088A (zh)
CN (1) CN105393082B (zh)
CA (2) CA2815195A1 (zh)
HK (1) HK1217532A1 (zh)
WO (1) WO2014176699A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2815199A1 (en) * 2013-05-02 2014-11-02 059312 N.B. Inc. Cyclical sensor array
US10459107B2 (en) * 2014-11-13 2019-10-29 Halliburton Energy Services, Inc. Well monitoring with autonomous robotic diver
WO2016178939A1 (en) * 2015-05-01 2016-11-10 Probe Holdings, Inc. Caliper tool with positive pivoting arm
CN105674945B (zh) * 2016-02-04 2018-02-27 浙江大学 一种基于mems传感器的海底滑坡监测装置及监测方法
IT201700069350A1 (it) * 2017-06-21 2018-12-21 Safecertifiedstructure Tecnologia S R L Metodo di monitoraggio, sistema di monitoraggio e dispositivo inclinometrico ad esso associato
CN109059827A (zh) * 2018-05-07 2018-12-21 北京建筑大学 一种saa监测地裂缝的方法及系统
JP6516275B1 (ja) * 2018-07-04 2019-05-22 株式会社カネダ技研 綴じ具
BR102018014298B1 (pt) * 2018-07-13 2021-12-14 Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras Sistema e método de suporte a operação de instalações submarinas para reconstrução 3d de linhas flexíveis durante uma operação de conexão vertical direta
CN110006383B (zh) * 2019-03-27 2021-12-14 中国地质大学（武汉） 一种适用于滑坡深部大位移的监测装置
CN110080157A (zh) * 2019-05-21 2019-08-02 浙江省水利河口研究院 一种混凝土防渗墙内测斜管安装装置及方法
GB2584840B (en) * 2019-06-14 2022-06-08 Senceive Ltd Sensor system, sensing element and methods
CN112344909B (zh) * 2020-11-06 2022-04-26 国核信息科技有限公司 风机塔筒倾斜监测方法及装置

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4399692A (en) * 1981-01-13 1983-08-23 Sundstrand Data Control Group Borehole survey apparatus utilizing accelerometers and probe joint measurements
JPH05187858A (ja) 1992-01-13 1993-07-27 Kumagai Gumi Co Ltd 孔形状測定装置
US5311953A (en) * 1992-08-07 1994-05-17 Baroid Technology, Inc. Drill bit steering
US6127672A (en) 1997-05-23 2000-10-03 Canadian Space Agency Topological and motion measuring tool
DE69837752T2 (de) * 1997-03-17 2007-10-18 Canadian Space Agency, Saint-Hubert Topologie- und bewegungsmessinstrument
US6659200B1 (en) * 1999-12-20 2003-12-09 Halliburton Energy Services, Inc. Actuator assembly and method for actuating downhole assembly
US6563107B2 (en) * 2001-01-11 2003-05-13 Canadian Space Agency Topological and motion measuring tool
CA2391165C (en) * 2002-06-20 2011-09-13 R.S. Technical Instruments Ltd. Inclinometer system
CA2747236C (en) * 2004-06-25 2013-08-20 059312 N.B. Inc. Shape-acceleration measurement device and method
EP1831502B1 (en) * 2004-12-14 2018-10-31 Raytheon Company Centralizer-based survey and navigation device and method
KR100708781B1 (ko) * 2005-08-09 2007-04-18 주식회사 로텍인스트루먼트 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치
US7725263B2 (en) * 2007-05-22 2010-05-25 Smith International, Inc. Gravity azimuth measurement at a non-rotating housing
CN101099657A (zh) * 2007-07-13 2008-01-09 上海大学 细长柔性杆的空间形状检测装置和方法
US8155812B2 (en) 2008-05-12 2012-04-10 Smith David Q Floating dock deflection management systems
US8185312B2 (en) * 2008-10-22 2012-05-22 Gyrodata, Incorporated Downhole surveying utilizing multiple measurements
ITGE20110046A1 (it) 2011-04-18 2012-10-19 C S G Srl Perfezionamenti tecnici nei dispositivi per il monitoraggio di parametri geotecnici, geologici-strutturali, idrogeologici e geofisici di terreni, rocce e strutture in genere
US8752305B2 (en) * 2011-10-14 2014-06-17 Baker Hughes Incorporated Apparatus and method for determining the direction east
US8899351B2 (en) * 2012-07-16 2014-12-02 Halliburton Energy Services, Inc. Apparatus and method for adjusting power units of downhole motors
US9523244B2 (en) * 2012-11-21 2016-12-20 Scientific Drilling International, Inc. Drill bit for a drilling apparatus
RU2617759C2 (ru) * 2012-12-19 2017-04-26 Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. Система управления на основе винтового забойного механизма
US9657520B2 (en) * 2013-08-23 2017-05-23 Weatherford Technology Holdings, Llc Wired or ported transmission shaft and universal joints for downhole drilling motor
CA2910186C (en) * 2014-10-31 2023-01-24 Ryan Directional Services, Inc. Method and apparatus for determining wellbore position

Also Published As

Publication number Publication date
CA2815195A1 (en) 2014-11-02
WO2014176699A1 (en) 2014-11-06
US9777568B2 (en) 2017-10-03
US20160076359A1 (en) 2016-03-17
CN105393082A (zh) 2016-03-09
EP2992297A4 (en) 2017-01-04
HK1217532A1 (zh) 2017-01-13
KR20160003088A (ko) 2016-01-08
EP2992297A1 (en) 2016-03-09
CA2911175C (en) 2020-08-25
CA2911175A1 (en) 2014-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105393082B (zh) 二分传感器阵列
KR102151242B1 (ko) 순환 센서 어레이
CA2747236C (en) Shape-acceleration measurement device and method
US8489333B2 (en) Device orientation determination
JP2016520826A5 (zh)
JP2760897B2 (ja) 通路の進路方向を決定する方法及び装置
CN104968889B (zh) 用于计算钻孔中mwd系统的定向的方法
CN109891050B (zh) 利用相反设置的传感器改良校准来确定位置的方法
CN102140913B (zh) 钻探用小口径定向陀螺测斜仪
JPS6057007B2 (ja) ボアホ−ル測量装置
CA2591691A1 (en) Centralizer-based survey and navigation device and method
Segalini et al. Underground landslide displacement monitoring: a new MMES based device
JP2007263689A (ja) 外部情報を得られない環境における装置の方位計測方法
EP1955013B1 (en) Shape-acceleration measurement device and method
EP1744165B1 (en) Shape-acceleration measurement device and method
ElGizawy et al. Continuous wellbore surveying while drilling utilizing MEMS gyroscopes based on Kalman filtering
KR102356132B1 (ko) 다채널 센서 기반 지중변위 및 지반 측정 방법 및 시스템
KR102356131B1 (ko) 다채널 센서 기반 지중 변위 측정 방법
JP3346492B2 (ja) 地盤変位の計測装置
CN115855032A (zh) 一种融合gnss与mems深部位移技术的一体化位移监测设备及方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 1217532

Country of ref document: HK

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191202

Address after: Canada

Patentee after: Rst Instrument Co.,Ltd.

Address before: new brunswick

Patentee before: 059312 N.B. Inc.

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20200928

Address after: Great temperature

Patentee after: Measuring instrument Co.

Address before: Canada

Patentee before: Rst Instrument Co.,Ltd.